基于RTDS 的動態(tài)電壓調(diào)節(jié)器控制器的半實物仿真試驗

唐鴻奎，張彥兵，王小凱

（1.國網(wǎng)河南省電力公司許昌供電公司，河南 許昌 461000；2.許昌開普檢測研究院股份有限公司，河南 許昌 461000；3.許繼集團有限公司，河南 許昌 461000）

0 引言

動態(tài)電壓調(diào)節(jié)器是具備補償有功功率能力的補償裝置，當(dāng)電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生電壓暫降時，能在1~2 ms 之內(nèi)產(chǎn)生補償電壓，消除電壓諧波和電壓波動與閃變對負(fù)載的影響，保證敏感負(fù)荷的安全可靠運行[1-3]。目前動態(tài)電壓調(diào)節(jié)裝置在開發(fā)、調(diào)試階段大多是基于廠區(qū)內(nèi)物模平臺進(jìn)行的，物模平臺調(diào)試方法試驗效率相對低下，調(diào)試周期較長。采用半實物仿真試驗方法，可以彌補物模平臺的不足之處，能夠以更高效、便捷的試驗方法完成產(chǎn)品的開發(fā)、調(diào)試，具有較好的經(jīng)濟效益[4-7]。為驗證“動態(tài)電壓調(diào)節(jié)器控制器”在不同負(fù)載類型及不同負(fù)載電流工況下的穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)性能，基于RTDS 實時數(shù)字仿真系統(tǒng)開展半實物仿真試驗。

1 半實物仿真試驗概述

半實物仿真試驗方法是一種采用實時數(shù)字仿真器（如RTDS）和電力設(shè)備控制與保護裝置（以下簡稱：控保裝置）搭建閉環(huán)測試環(huán)境并進(jìn)行一系列試驗的方法，如圖1 所示。目前也是大容量電力電子設(shè)備通行的測試方法，可以較充分、詳實的考核控保裝置的動態(tài)特性。相比于物模試驗方法，該試驗方法具有考核全面、環(huán)境建設(shè)周期短、測試自動化率高、重復(fù)性好、安全系數(shù)高等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于交直流輸電控保裝置、新能源控制器、電能質(zhì)量治理裝置的開發(fā)調(diào)試和整機測試環(huán)節(jié)。

圖1 典型半實物仿真試驗系統(tǒng)

電力電子類設(shè)備控制器的開發(fā)環(huán)節(jié)一般為：理論研究及可行性分析階段、樣機開發(fā)階段、樣機聯(lián)調(diào)階段、實際系統(tǒng)聯(lián)調(diào)階段、投運及運維階段，如圖2 所示，其中樣機聯(lián)調(diào)階段是驗證控制器性能的重要環(huán)節(jié)。目前聯(lián)調(diào)方法分為模擬仿真聯(lián)調(diào)（及物模仿真）和半實物數(shù)字仿真聯(lián)調(diào)，而半實物數(shù)字仿真聯(lián)調(diào)更具有競爭力，試驗環(huán)境建設(shè)周期短、仿真性能優(yōu)越、風(fēng)險可控系數(shù)高，在柔性交直流輸電類控制設(shè)備的開發(fā)、調(diào)試及試驗環(huán)節(jié)得到了廣泛應(yīng)用。

圖2 電力電子類設(shè)備控制器開發(fā)環(huán)節(jié)

2 仿真試驗環(huán)境建設(shè)

試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，在RTDS中搭建交流等值電網(wǎng)、旁路柜、兩電平逆變器一次系統(tǒng)和不同比例的交流負(fù)載，根據(jù)逆變器控制單元模擬量采集通道的量程，對系統(tǒng)電壓、電流值進(jìn)行一定比例的縮小，由GTAO板卡輸出，通過GTDI板卡采集逆變器發(fā)出的逆變器觸發(fā)脈沖。逆變器控制器采集RTDS仿真器發(fā)出的電壓、電流二次值，并發(fā)出觸發(fā)脈沖，控制逆變器運行狀態(tài)。

圖3 動態(tài)電壓恢復(fù)控制器仿真試驗結(jié)構(gòu)圖

圖4 所示為動態(tài)電壓恢復(fù)器裝置應(yīng)用場景一次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，在RTDS 仿真器中完成等值交流電源、旁路柜、儲能柜、功率柜和敏感負(fù)荷的仿真建模，RTDS 通過GTDI 板卡實時采樣控制器的PWM 觸發(fā)脈沖，驅(qū)動功率柜中的逆變器單元，完成控制器與逆變器的閉環(huán)控制仿真。

圖4 動態(tài)電壓恢復(fù)器一次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

電網(wǎng)正常運行狀態(tài)下，敏感負(fù)荷由電網(wǎng)供電，當(dāng)動態(tài)電壓恢復(fù)器檢測到電網(wǎng)電壓發(fā)生閃變時，通過晶閘管切斷電網(wǎng)回路并通過逆變器輸出交流電壓，完成敏感負(fù)荷的快速轉(zhuǎn)供。通過半實物仿真試驗平臺可以便捷地開展不同負(fù)荷工況下控制器控制參數(shù)的優(yōu)化工作。

3 仿真算例

采用RTDS實時仿真器與動態(tài)電壓恢復(fù)器控制器搭建半實物仿真平臺，模擬電網(wǎng)電壓發(fā)生電壓跌落故障，控制器監(jiān)測交流電網(wǎng)電壓跌落后，快速將下級負(fù)荷取電回路由電網(wǎng)切換至動態(tài)電壓恢復(fù)器。當(dāng)電網(wǎng)電壓恢復(fù)時，經(jīng)預(yù)設(shè)延時，再次將下級負(fù)荷取電回路切換至電網(wǎng)。圖5為試驗錄波圖，其中圖5（a）為電網(wǎng)電壓跌落區(qū)間錄波圖，圖5（b）為電網(wǎng)電壓恢復(fù)期間錄波圖，圖5（c）為電網(wǎng)電壓跌落及恢復(fù)區(qū)間錄波圖。

圖5 試驗錄波圖

UpSA、UpSB、UpSC為電網(wǎng)側(cè)三相電壓一次測量值，IpSA、IpSB、IpSC 為電網(wǎng)側(cè)三相電流一次測量值，UpPCCA、UpPCCB、UpPCCC為負(fù)荷側(cè)三相電壓一次測量值，IpPCCA、IpPCCB、IpPCCC為動態(tài)電壓恢復(fù)器三相橋臂電流一次測量值，UpPCC_rms_pu 為負(fù)荷側(cè)三相電壓有效值的標(biāo)幺值，QF1為雙向晶閘管的導(dǎo)通狀態(tài)。分析試驗錄波圖可知，電網(wǎng)電壓跌落時，動態(tài)電壓恢復(fù)器能夠快速切斷電網(wǎng)供電回路，并將負(fù)荷轉(zhuǎn)供至動態(tài)電壓恢復(fù)器；電網(wǎng)電壓恢復(fù)時，動態(tài)電壓恢復(fù)器控制器能夠平滑的退出，并將負(fù)荷轉(zhuǎn)供至電網(wǎng)回路。

4 結(jié)語

采用半實物數(shù)字實時仿真的試驗方法開展電力電子類裝置控制器的調(diào)試工作，試驗環(huán)境建設(shè)周期短、自動化程度高、風(fēng)險可控。基于RTDS 實時仿真平臺，對動態(tài)電壓恢復(fù)器的一次系統(tǒng)進(jìn)行建模，通過采集板卡與控制器形成閉環(huán)連接。試驗結(jié)果表明電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落和恢復(fù)期間，控制器能夠快速地實現(xiàn)負(fù)荷供電回路的切換，切換過程平滑過渡，對電力電子類裝置的開發(fā)、調(diào)試環(huán)節(jié)具有一定的參考價值。